季節(jié)性凍土地區(qū)灌注樁的設(shè)計(jì)

方 艷，孫艷春

(1.蘿北縣寶泉嶺農(nóng)場(chǎng)水務(wù)局，黑龍江蘿北154211;2.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

我國(guó)除在新疆北部天山、阿爾泰山部分地區(qū)，中西部的祁連山地區(qū)，西南部的青藏高原大部分地區(qū)及東北部的大、小興安嶺地區(qū)分布有多年凍土之外，絕大部分地區(qū)還分布有季節(jié)性凍土。在季節(jié)性凍土上設(shè)計(jì)建筑基礎(chǔ)，尤其是灌注樁基礎(chǔ)，抗凍拔承重穩(wěn)定性計(jì)算尤為重要。

1 多年凍土及凍脹力

具有負(fù)溫度或零溫度，其中含有冰且膠結(jié)著松散固體顆粒的土叫凍土。每年冬季凍結(jié)，夏季全部融化的土層我們稱之為季節(jié)性凍土。

建筑在凍脹土上的結(jié)構(gòu)物，使地基土的凍脹變形受到約束，使得地基土的凍結(jié)條件發(fā)生改變，進(jìn)而改變著基礎(chǔ)周圍土體的溫度，并且將外部荷載傳遞到地基土中改變地基土凍結(jié)時(shí)的約束力，地基土凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生的凍脹力將反映在對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用上，引起結(jié)構(gòu)的位移、變形。凍脹力分為切向凍脹力、法向凍脹力、水平凍脹力。

2 灌注樁成樁方法的選擇

根據(jù)成樁方法灌注樁可分為非擠土樁:干作業(yè)法鉆(挖)孔灌注樁、泥漿護(hù)壁法鉆(挖)孔灌注樁、套管護(hù)壁法鉆(挖)孔灌注樁;部分?jǐn)D土樁:長(zhǎng)螺旋壓灌灌注樁、沖孔灌注樁、鉆孔擠擴(kuò)灌注樁、攪拌勁芯樁、預(yù)鉆孔打入(靜壓)預(yù)制樁、打入(靜壓)式敞口鋼管樁、敞口預(yù)應(yīng)力混凝土空心樁和H型鋼樁;擠土樁:沉管灌注樁、沉管夯(擠)擴(kuò)灌注樁、打入(靜壓)預(yù)制樁、閉口預(yù)應(yīng)力混凝土空心樁和閉口鋼管樁。

成樁過(guò)程的擠土效應(yīng)在飽和黏性土中是負(fù)面的，會(huì)引發(fā)灌注樁斷樁、縮頸等質(zhì)量事故，對(duì)于擠土預(yù)制混凝土樁和鋼樁會(huì)導(dǎo)致樁體上浮，降低承載力，增大沉降;擠土效應(yīng)還會(huì)造成周邊房屋、市政設(shè)施受損;在松散土和非飽和填土中則是正面的，會(huì)起到加密、提高承載力的作用。對(duì)于非擠土樁，由于其既不存在擠土負(fù)面效應(yīng)，又具有穿越各種硬夾層、嵌巖和進(jìn)入各類硬持力層的能力，樁的幾何尺寸和單樁的承載力可調(diào)空間大。因此鉆、挖孔灌注樁使用范圍大，尤以高重建筑物更為合適。

3 豎向極限承載力計(jì)算

設(shè)計(jì)采用的單樁豎向極限承載力標(biāo)注值，設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)的建筑樁基，應(yīng)通過(guò)單樁靜載試驗(yàn)確定，設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)的建筑樁基，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件簡(jiǎn)單時(shí)，可參照地質(zhì)條件相同的試樁資料，結(jié)合靜力觸探等原位試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)綜合確定，其余均應(yīng)通過(guò)單樁靜載試驗(yàn)確定，設(shè)計(jì)等級(jí)為丙級(jí)的建筑樁基，可根據(jù)原位試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)確定。

豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算:

式中:Qsk、Qpk分別為總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和總端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

豎向承載力特征值按下式確定:

式中:Quk為單樁豎向極限承載力特征值;K為安全系數(shù)，取K=2。

4 抗凍拔穩(wěn)定性驗(yàn)算

基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算:

式中:Tuk為基樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值;ui為樁身周長(zhǎng);qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;λi為抗拔系數(shù)。

抗凍拔穩(wěn)定性按下式計(jì)算

式中:Nk為按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的基樁拔力;ηf為凍深影響系數(shù);qf為切向凍脹力;z0為季節(jié)凍土的標(biāo)準(zhǔn)凍深;NG為基樁承受的樁承臺(tái)底面以上建筑物自重、承臺(tái)及其上土重標(biāo)準(zhǔn)值;GP為基樁自重，地下水位以下取浮重度。

表1 土的切向凍脹力 MPa

通過(guò)樁基豎向承載力和抗拔承載力驗(yàn)算后還應(yīng)進(jìn)行樁基的水平承載力計(jì)算，然后根據(jù)功能布置要求綜合確定樁基礎(chǔ)的布置，進(jìn)尺及結(jié)構(gòu)尺寸。對(duì)于不滿足抗拔要求的樁基要進(jìn)行基礎(chǔ)處理，或者加大灌注樁進(jìn)尺長(zhǎng)度、斷面尺寸。

5 結(jié)論

季節(jié)性凍土地基中的樁基的設(shè)計(jì)原則主要應(yīng)考慮凍脹和膨脹對(duì)于基樁抗拔穩(wěn)定性問(wèn)題，避免凍脹或膨脹力作用下產(chǎn)生上拔變形，乃至因累積上拔變形而引起建筑物開(kāi)裂。因此，對(duì)于荷載不大的多層建筑樁基設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下諸因素:樁端進(jìn)入凍深線或膨脹土的大氣影響急劇層以下一定深度;宜采用無(wú)擠土效應(yīng)的鉆、挖孔樁;對(duì)樁基的抗拔穩(wěn)定性和樁身受拉承載力進(jìn)行驗(yàn)算;對(duì)承臺(tái)和樁身上部采取隔凍、隔脹處理。

［1］羅戰(zhàn)友，等.未達(dá)到破壞的單樁極限承載力的灰色預(yù)測(cè)［J］.巖土力學(xué)，2004，25(2):304 －307.